工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)及應(yīng)用簡(jiǎn)介
機(jī)器人的定義及分類(lèi)
機(jī)器人按ISO8373定義為：位置可以固定或移動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、多功能多用處、末端操作器的位置要在3個(gè)或3個(gè)以上自由度內(nèi)可編程的工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備。這里自由度就是指可運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的軸。工業(yè)機(jī)器人按其結(jié)構(gòu)形式及編程坐標(biāo)系主要分類(lèi)為關(guān)節(jié)型機(jī)器人、移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人和直角坐標(biāo)機(jī)器人等。按主要功能特征及應(yīng)用分為移動(dòng)機(jī)器人、水下機(jī)器人、潔凈機(jī)器人、直角坐標(biāo)機(jī)器人、焊接機(jī)器人、手術(shù)機(jī)器人和軍用機(jī)器人等。機(jī)器人學(xué)涉及到機(jī)器人結(jié)構(gòu)，機(jī)器人視覺(jué)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，機(jī)器人傳感器，機(jī)器人通訊和人工智能等許多方面，不同用處的機(jī)器人涉及到不同的學(xué)科，下面僅對(duì)這些機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：
關(guān)節(jié)型機(jī)器人
關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)類(lèi)同人的手臂，由幾個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，擺動(dòng)軸和手爪等6~7個(gè)自由度組成。生產(chǎn)廠家主要有德國(guó)Manutec公司，德國(guó)KUKA，德國(guó)REIS,日本Motorman,日本Yaskawa和沈陽(yáng)新松等。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)軸和擺動(dòng)軸主要用伺服電機(jī)配幾乎沒(méi)有反向間隙的精密減速機(jī)或直驅(qū)力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而其控制系統(tǒng)其難度也很大。各個(gè)廠家的關(guān)節(jié)型機(jī)器人其結(jié)構(gòu)類(lèi)同，主要差別在技術(shù)參數(shù),下面以德國(guó)Manutec公司的關(guān)節(jié)型機(jī)器人為例介紹。
Manutec公司型號(hào)為r15-30的關(guān)節(jié)機(jī)器人，額定負(fù)載30公斤，最大可達(dá)到75公斤，工作半徑1.3米，重復(fù)定位精度小于0.04mm，點(diǎn)到點(diǎn)的最大運(yùn)行速度高達(dá)5.9m/s，加速度高達(dá)23m/s2和工作壽命20年。可以坐立式安裝，可以是掉掛式安裝，也可以與水平面小于30度角的斜式安裝，不影響其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。r15可以選配防爆式的，也可以選配一級(jí)潔凈式等。
r15-30主要特點(diǎn)是強(qiáng)度大剛性好和重復(fù)定位精度高，主要應(yīng)用領(lǐng)域是其它廠家的關(guān)節(jié)型機(jī)器人由于剛性和精度不夠無(wú)法應(yīng)用的領(lǐng)域，而用5軸加工中心成本太高或無(wú)法勝任的工作。如磨齒，異形銑削，殼（腔）內(nèi)部銑削，磨，拋，切割和焊接等。
在手爪末端可以配力傳感器，來(lái)加工異形表面（如銑削，磨和拋）。一個(gè)機(jī)器人也可以與雙工作臺(tái)及各種的雙旋轉(zhuǎn)軸協(xié)調(diào)同步運(yùn)動(dòng)。也可以是兩個(gè)機(jī)器人協(xié)調(diào)同步工作，如一臺(tái)機(jī)器人抓取工件，而令一臺(tái)機(jī)器人對(duì)該工件進(jìn)行加工，兩臺(tái)機(jī)器人同步協(xié)調(diào)完成特定的加工軌跡。
其它廠家的關(guān)節(jié)機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車(chē)焊接和裝配等任務(wù)中。關(guān)節(jié)型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是可以從不同角度不同方位來(lái)工作，速度快，工作效率高。但主要缺點(diǎn)是工作半徑小，負(fù)載小，價(jià)格高，應(yīng)用難度大和維護(hù)費(fèi)用高。
作為關(guān)節(jié)機(jī)器人的簡(jiǎn)化型機(jī)器人SCARA就是兩個(gè)擺動(dòng)軸和一個(gè)上下運(yùn)動(dòng)軸，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)，適合工作空間小，負(fù)載小、高速搬運(yùn)。但它的價(jià)位高于直角坐標(biāo)機(jī)器人，應(yīng)用行業(yè)和數(shù)量非常小。
特種機(jī)器人
移動(dòng)機(jī)器人就是能自主移動(dòng)或上下樓梯的電動(dòng)車(chē)，主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)貨物的自主運(yùn)輸和排險(xiǎn)作業(yè)，或進(jìn)入有污染和放射的環(huán)境內(nèi)取樣及監(jiān)視等。還有一些移動(dòng)機(jī)器人就是仿造一些動(dòng)物，用腿和爪行走路的行走機(jī)器人，如美國(guó)的軍用狗，還處于適用階段。水下機(jī)器人與潛艇能自主潛入水下完成對(duì)海上鉆井平臺(tái)的水下建筑、發(fā)電站的水下閘門(mén)、海底打撈等工程的錄像和監(jiān)控。潔凈式機(jī)器人主要是穿上防護(hù)衣的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，使其自身有良好的密封性，不把灰塵帶入工作現(xiàn)場(chǎng)，自身也不會(huì)產(chǎn)生灰塵，他們主要應(yīng)用于電子器件，食品和藥品等生產(chǎn)中。國(guó)際對(duì)潔凈機(jī)器人的潔凈度有明確的定義。軍用機(jī)器人主要是小型移動(dòng)車(chē)，遙控飛機(jī)或電子狗等，他們完成危險(xiǎn)場(chǎng)所的一些作業(yè)，如排雷，布雷，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，射擊摧毀特定目標(biāo)等。盡管目前服務(wù)機(jī)器人主要是玩具式的自治電動(dòng)車(chē)，在其上面裝有視覺(jué)和超聲等裝置使其可以在家里無(wú)碰撞移動(dòng)，對(duì)不同位置進(jìn)行照像，用來(lái)防盜，檢測(cè)煤汽泄露，無(wú)線發(fā)送信息和接收指令，運(yùn)輸物品等等。但未來(lái)服務(wù)機(jī)器人的功能會(huì)不斷增強(qiáng)，不斷深入到人們?nèi)债a(chǎn)生活的各個(gè)方面。還有手術(shù)機(jī)器人，航天機(jī)器人，擠牛奶機(jī)器人和核電站專(zhuān)用機(jī)器人等專(zhuān)用機(jī)器人。
直角坐標(biāo)機(jī)器人
作為在各行各業(yè)中最廣泛應(yīng)用的直角坐標(biāo)機(jī)器人，它主要是以直線運(yùn)動(dòng)軸為主，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸通常對(duì)應(yīng)直角坐標(biāo)系中的X軸，Y軸和Z軸，一般X軸和Y軸是水平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)軸，Z軸是上下運(yùn)動(dòng)軸。在一些應(yīng)用中Z軸上帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，或帶有一個(gè)擺動(dòng)軸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。在絕大多數(shù)情況下直角坐標(biāo)機(jī)器人的各個(gè)直線運(yùn)動(dòng)軸間的夾角為直角。
直線運(yùn)動(dòng)軸:也叫直線運(yùn)動(dòng)單元，它就是一個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)軸，主要由支撐載體的鋁型材或鋼型材和被安裝在型材內(nèi)部的直線導(dǎo)軌、運(yùn)動(dòng)滑塊以及作為帶動(dòng)滑塊做高速運(yùn)動(dòng)的同步帶組成。
運(yùn)動(dòng)軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
直角坐標(biāo)機(jī)器人的傳動(dòng)主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng)，同步帶帶動(dòng)直線導(dǎo)軌上的滑塊運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速低于600轉(zhuǎn)/分時(shí)通常選用步進(jìn)電機(jī)，否則選用交流伺服電機(jī)。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的控制系統(tǒng)
機(jī)器人要在一定時(shí)間內(nèi)完成特定的任務(wù)，比如每10秒內(nèi)完成一次搬運(yùn)工作。在完成抓取，加速運(yùn)動(dòng)，高速運(yùn)動(dòng)，減速運(yùn)動(dòng)，釋放工件等同時(shí)，還要與相關(guān)的設(shè)備通過(guò)通訊或I/O口實(shí)現(xiàn)一些時(shí)序上的協(xié)調(diào)同步。另外在涂膠應(yīng)用上，各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸要完成直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。因此其數(shù)控系統(tǒng)要按具體應(yīng)用要求來(lái)選定其控制軸數(shù)、I/O口數(shù)量和軟件功能。通常選用數(shù)控系統(tǒng)，PLC，工控機(jī)加運(yùn)動(dòng)控制卡和帶軸卡功能及I/O口的驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)做控制系統(tǒng)。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的末端操作器——手爪系統(tǒng)
根據(jù)其具體應(yīng)用情況，其手爪系統(tǒng)可能是氣動(dòng)吸盤(pán)、氣動(dòng)夾取手爪、電動(dòng)夾取手爪、電磁吸取手爪、焊槍、膠槍、專(zhuān)用工具和檢測(cè)儀器等。在很多場(chǎng)合可以一次抓取多個(gè)工件。
很多廠家已開(kāi)發(fā)出一些標(biāo)準(zhǔn)的直線運(yùn)動(dòng)單元及其組合，下面結(jié)合德國(guó)百格拉公司的產(chǎn)品來(lái)介紹直角坐標(biāo)機(jī)器人的技術(shù)數(shù)據(jù)及應(yīng)用。
龍門(mén)軸直線運(yùn)動(dòng)單元
直線運(yùn)動(dòng)單元和驅(qū)動(dòng)電機(jī)固定不動(dòng)，而滑塊運(yùn)動(dòng)，主要用于水平面和垂直面上長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)。有標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品PAS41，PAS42，PAS43和PAS44。對(duì)應(yīng)的橫截面尺寸是40*40mm，60*60mm，80*80mm和110*110mm，單根標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度是6000mm、負(fù)載是10~200公斤、重復(fù)定位精度0.05mm、最高運(yùn)行速度8米/秒，加速度是每秒4米。
抓取軸直線運(yùn)動(dòng)單元
驅(qū)動(dòng)電機(jī)和滑塊固定在一平面上，直線運(yùn)動(dòng)單元本體運(yùn)動(dòng)，其導(dǎo)軌標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度可達(dá)2400mm。主要以垂直或水平進(jìn)入工作空間，用于貨物的抓取和搬運(yùn)等。其標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品有LM-A001到LM-A808等，對(duì)應(yīng)的尺寸是40*40mm，60*60mm，80*80mm到110*110mm，單根最大長(zhǎng)度是3000mm、負(fù)載是2~100公斤、重復(fù)定位精度0.05mm、最高運(yùn)行速度8米/秒，加速度是每秒4米。
各種結(jié)構(gòu)形式的2D和3D直角坐標(biāo)機(jī)器人
利用標(biāo)準(zhǔn)的龍門(mén)式和抓取軸直線運(yùn)動(dòng)單元德國(guó)百格拉公司在過(guò)去的20多年中成功組合成了數(shù)百種結(jié)構(gòu)形式，不同行程和負(fù)載能力，不同安裝方式的機(jī)器人。其中針對(duì)不同應(yīng)用要求還采取了多種加強(qiáng)形式來(lái)保證其強(qiáng)度，提高其變形能力，減少震動(dòng)和晃動(dòng)，提高壽命等。其常用的結(jié)構(gòu)形式有龍門(mén)式，懸臂式，掛臂式和掉掛式等。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)形式及主要特點(diǎn)
但針對(duì)各種不同的應(yīng)用，實(shí)際上可以方便快速組合成不同維數(shù)，各種行程和不同帶載能力的壁掛式、懸臂式、龍門(mén)式或倒掛式等各種形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人。從簡(jiǎn)單的二維機(jī)器人到復(fù)雜的五維機(jī)器人就有上百種結(jié)構(gòu)形式的成功應(yīng)用案例。從電機(jī)到汽車(chē)等各行各業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)線中，也是各式各樣的多臺(tái)直角坐標(biāo)機(jī)器人和其它設(shè)備嚴(yán)格同步協(xié)調(diào)工作。可以說(shuō)直角坐標(biāo)機(jī)器人幾乎能勝任所有的工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)。下面是其主要特點(diǎn)：
任意組合成各種樣式：每根直線運(yùn)動(dòng)軸最長(zhǎng)是6米，其帶載能力從10公斤到200公斤。在實(shí)際應(yīng)用中已有近百種結(jié)構(gòu)的直角坐標(biāo)機(jī)器人，這些結(jié)構(gòu)也可以任意組合成新的結(jié)構(gòu)等。
超大行程：因?yàn)閱胃堥T(mén)式直線運(yùn)動(dòng)單元的長(zhǎng)度是6米，還可以多根方便地級(jí)連成超大行程，所以其工作空間幾乎沒(méi)有限制，小到手機(jī)點(diǎn)膠機(jī)，大到18米長(zhǎng)行程的切割機(jī)，8米長(zhǎng)行程鉆銑床，6米*6米*3米的檢測(cè)機(jī)器人等。超大行程時(shí)要采用直線導(dǎo)軌和齒條傳動(dòng)方式。
負(fù)載能力強(qiáng)：?jiǎn)胃本€運(yùn)動(dòng)單元的負(fù)載通常小于200公斤。但當(dāng)采用雙滑塊或多滑塊剛性聯(lián)結(jié)時(shí)負(fù)載能力可以增加5到10倍。當(dāng)把兩根或四根直線運(yùn)動(dòng)單元并排接起來(lái)使用時(shí)，其負(fù)載可以增加2到4倍。當(dāng)采用多根多滑塊結(jié)構(gòu)時(shí)其負(fù)載能力可增加到數(shù)噸。
高動(dòng)態(tài)特性：輕負(fù)載時(shí)其最大運(yùn)行速度可達(dá)到每秒8米，加速度可達(dá)到每秒4米。使其具有很高的動(dòng)態(tài)特性，工作效率非常高，通常在幾秒內(nèi)完成一個(gè)工作節(jié)拍。
高精度：按傳動(dòng)方式及配置在整個(gè)行程內(nèi)其重復(fù)定位精度可達(dá)到0.05mm~0.01mm。
擴(kuò)展能力強(qiáng)：可以方便改變結(jié)構(gòu)或通過(guò)編程來(lái)適合新的應(yīng)用。
簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)：對(duì)比關(guān)節(jié)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人不僅外觀直觀且構(gòu)造成本低，編程簡(jiǎn)單類(lèi)同數(shù)控銑床，易培訓(xùn)員工和維修，使其具有非常好的經(jīng)濟(jì)性。
勝任復(fù)雜任務(wù)：采用帶有RTCP功能的五軸或五軸以上數(shù)控系統(tǒng)能完成非常復(fù)雜的噴涂，噴丸，檢測(cè)，加工等任務(wù)。
壽命長(zhǎng)：直角坐標(biāo)機(jī)器人的壽命一般是10年以上，維護(hù)好了可達(dá)20年。
應(yīng)用范圍廣：可以方便地裝配多種形式和尺寸的手爪，可以勝任許多常見(jiàn)的工作，如焊接、切割，搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類(lèi)、裝配、貼標(biāo)、噴碼、打碼和噴涂等任務(wù)。
直角坐標(biāo)機(jī)器人的選型和保養(yǎng)
選型:
首先要根據(jù)負(fù)載大小，行程，工作節(jié)拍和工作空間的限制來(lái)選擇機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)。選好結(jié)構(gòu)形式后要根據(jù)行程和變形量等選擇每個(gè)軸的形式和型號(hào)。大負(fù)載和高沖擊力時(shí)可以選擇由2根或4根運(yùn)動(dòng)軸組合成一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)軸。各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸間的裝配也很關(guān)鍵，不僅要保證其垂直度，更要考慮在各個(gè)方向有足夠的抗沖擊力和變形。機(jī)器人要在幾秒內(nèi)完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)節(jié)拍，選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)必須有足夠的驅(qū)動(dòng)力，通常要比理論計(jì)算值高出100%。當(dāng)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比大于12時(shí)，要選配德國(guó)紐卡特公司的精密行星減速機(jī)。
在超高動(dòng)態(tài)和定位精度要求很高情況下，可以選用直線電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。但直線電機(jī)的安裝和防護(hù)難度大，發(fā)熱量大，撞擊危險(xiǎn)性高和控制難度高，成本也高，所以要慎用。而其防護(hù)難度大和發(fā)熱量大目前在機(jī)床行業(yè)還是世界性難題。
安裝
機(jī)器人在加速和減速時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，而且通常每天要工作24小時(shí)，所以機(jī)器人必須被牢固地安裝在支架上。機(jī)器人的支架要有足夠的抗沖擊力，要有地腳，以保證在長(zhǎng)期高速高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)沖擊下，沒(méi)有任何晃動(dòng)。此外在安裝時(shí)要保證運(yùn)動(dòng)軸間的平行度、平面度和垂直度。
保養(yǎng)事項(xiàng)
通常機(jī)器人的每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸在經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的運(yùn)動(dòng)后要周期性的通過(guò)滑塊的注油孔給直線導(dǎo)軌加注潤(rùn)滑油。根據(jù)機(jī)器人使用環(huán)境的不同和工作速度不同，其注油的周期也不同。在食品和玻璃切割等行業(yè)要選用帶防塵帶的運(yùn)動(dòng)軸和縮短注油周期，在有噴水的場(chǎng)合也要縮短注油周期。
應(yīng)用和展望
每種機(jī)器人都有其特殊性和優(yōu)勢(shì)，適用特定的行業(yè)或作業(yè)。也有把關(guān)節(jié)機(jī)器人安裝在大的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上來(lái)擴(kuò)大工作區(qū)域和完成更多的任務(wù)。為了克服直角坐標(biāo)機(jī)器人不易深入細(xì)長(zhǎng)空間區(qū)域內(nèi)工作，德國(guó)百格拉公司成功組合成了多種結(jié)構(gòu)的懸臂式直角坐標(biāo)機(jī)器人及在直角坐標(biāo)機(jī)器人的Z軸上加上500mm的擺動(dòng)軸和上下升降軸，有時(shí)還在Z軸上加上一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸和擺動(dòng)軸構(gòu)成5軸機(jī)器人，還把不同結(jié)構(gòu)形式的直角坐標(biāo)機(jī)器人組合成多種集抓取，搬運(yùn)，處理和最后抓取運(yùn)走功能于一體的機(jī)器人工作中心。在德國(guó)就有大大小小50多家直角坐標(biāo)機(jī)器人生產(chǎn)企業(yè)，他們20多年的努力使得直角坐標(biāo)機(jī)器人比關(guān)節(jié)式機(jī)器人有更廣泛的應(yīng)用。例如在西方發(fā)達(dá)國(guó)家被廣泛用來(lái)執(zhí)行焊接、搬運(yùn)、上下料、包裝、碼垛、拆垛、檢測(cè)、探傷、分類(lèi)、裝配、貼標(biāo)、噴碼、涂膠和切割等一系列工作。深受包裝機(jī)械、印刷機(jī)械、汽車(chē)工業(yè)、食品生產(chǎn)工業(yè)、藥品生產(chǎn)工業(yè)、電子工業(yè)、機(jī)器制造業(yè)和化妝品生產(chǎn)等行業(yè)的好評(píng)。隨著自動(dòng)化程度、環(huán)保要求、衛(wèi)生規(guī)定、生產(chǎn)效率、人員素質(zhì)和人工費(fèi)用的提高，直角坐標(biāo)機(jī)器人在中國(guó)也必將被各行各業(yè)廣泛采用。
上海先予工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備有限公司是一家集非標(biāo)制定、研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售、工程服務(wù)為一體的工業(yè)裝備制造企業(yè)。該公司以自主核心技術(shù)和系統(tǒng)集成優(yōu)勢(shì)為依托，針對(duì)企業(yè)用戶在生產(chǎn)過(guò)程控制中的各種復(fù)雜控制要求，采用DCS和PLC等控制系統(tǒng)為企業(yè)量身定制，技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的電氣和自動(dòng)化控制，生產(chǎn)，輸送，包裝、清洗系統(tǒng)，提供完整的非標(biāo)制定自動(dòng)化生產(chǎn)解決方案，從而有效為企業(yè)降低勞動(dòng)力成本、提高品質(zhì)、提升效率。
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